摘 要：烘道廣泛應(yīng)用于絲網(wǎng)印刷、紙張、噴染、電鍍以及印刷電路等行業(yè)，烘道中物料傳送帶跑偏、烘干室溫度變化是影響烘道正常工作的重要因素。以單片機(jī)AT89C51 為核心，設(shè)計(jì)一種以模糊控制和光電糾偏為一體的烘道自動控制系統(tǒng)。采用C51 語言進(jìn)行軟件編程，模糊控制原理進(jìn)行溫控，選用TA8435 芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)物料傳送帶糾偏和溫度自動控制。紙張烘干實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳送帶糾偏3-8mm 和實(shí)時(shí)監(jiān)測工作溫度并穩(wěn)定在780-820。
關(guān)鍵詞：模糊控制；糾偏；溫度控制；單片機(jī)
0 引言
伴隨著國內(nèi)絲網(wǎng)印刷、紙張、噴染、電鍍以及印刷電路等行業(yè)的發(fā)展，在生產(chǎn)工藝當(dāng)中對烘干設(shè)施的要求也越來越高。不同材料所需加熱和冷卻方式有所不同，目前加熱方式主要有加熱皿、遠(yuǎn)紅外燈管、紫外線燈管等多種加熱方式；冷卻方式有水冷、風(fēng)冷和空調(diào)制冷等多種形式。烘道控制核心就是要保持烘道內(nèi)溫度穩(wěn)定在工藝要求范圍內(nèi)[2]，在傳輸過程中不出現(xiàn)偏差。目前，烘道上多用的糾偏裝置有導(dǎo)輪、滑道和限位輪等糾偏裝置，導(dǎo)輪通過網(wǎng)帶與導(dǎo)輪摩擦力和改變縱向網(wǎng)帶偏角達(dá)到糾偏，滑道通過沿橫向移動，改變縱向網(wǎng)帶偏角和網(wǎng)帶的張緊度達(dá)到糾偏，限位輪通過固定輪限制網(wǎng)帶縱向的偏移，從而達(dá)到糾偏。根據(jù)不同的材料處理需要而選擇合適的烘道至關(guān)重要，隨著材質(zhì)要求的改變，與之設(shè)定的溫度、傳送速度就要隨之改變，緊密結(jié)合國內(nèi)行業(yè)的實(shí)際需求，基于模糊控制策略、采用單片機(jī)與固態(tài)繼電器配合，設(shè)計(jì)出烘道的一種自控化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度可控可調(diào)，在實(shí)踐中產(chǎn)生了良好效果。
1 系統(tǒng)概述
烘道自動控制系統(tǒng)是一個(gè)小型的嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，主要由激光光電傳感器E3G-G61-M3J、溫度傳感器TSP-100/1000G、單片機(jī)AT89C51 （ 8KBFEPROM256BRAM）、報(bào)警電路、顯示部分、驅(qū)動電路和步進(jìn)電機(jī)等組成，其系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。工作過程是將傳感器采集到的各路數(shù)字、模擬信號經(jīng)信號處理后傳送到單片機(jī)中，經(jīng)軟件處理輸出控制信號，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)；通過參數(shù)設(shè)置和LED 實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)可以通過專用接口傳送到上位機(jī)并記錄下來，形成知識庫，進(jìn)而可通過上位機(jī)對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件電路主要由信號采集模塊、知識庫及推理模塊、溫度控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、報(bào)警和顯示模塊。
2.1 傳感器的選用
普通光電傳感器光束散射，發(fā)射角較大，影響傳感器的測量靈敏度；激光具有高平行度，其發(fā)射光束方向性強(qiáng)，發(fā)散角小，一般約為0.180 [4]，所以選擇激光光電傳感器進(jìn)行偏差信號測量。本系統(tǒng)選用E3G-G61-M3J 放大器內(nèi)藏型凹槽光電開關(guān)。檢測距離（槽寬）：25mm；φ1mm 以上的不透明體；電源電壓：DC12-24V；響應(yīng)時(shí)間1ms 以下。其參數(shù)滿足測量精度，具有很高靈敏度。溫度測量采用溫度傳感器TSP-100/1000G，測量溫度范圍 -50℃~450℃精度，0℃時(shí)的阻值允許偏差 ( Ω )A +/- (0.15+0.002t) +/- 0.06。具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)，可對工業(yè)現(xiàn)場的溫度進(jìn)行連續(xù)測量與控制。
2.2 信號采集
2.2.1 偏差信號采集
系統(tǒng)在輸入段與出料段將激光光電傳感器安裝在傳送帶下側(cè)，距兩側(cè)邊為3mm；當(dāng)網(wǎng)帶非正常傳動將產(chǎn)生偏移遮擋光源觸發(fā)傳感器，產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過濾波、放大信號處理傳送到單片機(jī)中。
2.2.2 溫度信號采集
經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)得知，將溫度傳感器安裝在距網(wǎng)面50mm 的兩燈之間，采集到的溫度在單個(gè)傳感器的狀態(tài)下最能反映烘道中的溫度變化，當(dāng)溫度偏離設(shè)定值，傳感器自動采集信號，經(jīng)濾波、放大、A/D 信號處理后以脈沖信號傳送到單片機(jī)中。
2.3 溫度模糊控制
模糊控制器在設(shè)計(jì)時(shí)不需要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，尤其適用于非線性時(shí)變、滯后、慣性大的系統(tǒng)的控制[3]。它用一些定性的、不確定的模糊語言來表達(dá)控制這些規(guī)則，然后再應(yīng)用一系列的模糊控制算法，得到一組確定性的模糊控制表，通過模糊控制到輸出確切的控制值對系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)控制，因此它是解決不確定系統(tǒng)的一種有效選擇[1]。
烘道自動控制系統(tǒng)中模糊控制的實(shí)時(shí)算法，就是得出采樣值的偏差e 和偏差變Δek，并根據(jù)量化因子K1、K2 模糊化成相應(yīng)等級值，然后再根據(jù)已經(jīng)獲得的模糊控制總表，推算出相應(yīng)的模糊控制輸出量的等級值ui。若等級值ui 代表的是離散量，則轉(zhuǎn)換成該等級值所代表的意義；若等級值ui 代表的是連續(xù)量，則乘以控制總表的比例因子K3 轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的模擬量，并將此模擬量用于工作時(shí)的控制機(jī)構(gòu)的控制量。其模糊控制器如2 所示。
2.4 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
目前國內(nèi)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路有單電壓恒流功放電路；高、低壓(雙電壓)功放電路；斬波型功放電路。斬波型功放電路使通過導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻或高頻工作時(shí)均保持額定值，使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩的輸出特性，克服了高、低壓功放電路的谷點(diǎn)現(xiàn)象，并且提高了電動機(jī)的效率和力矩，它包含斬波恒流功放電路和斬波平滑功放電路。因此系統(tǒng)的驅(qū)動電路采用了斬波恒流驅(qū)動方式。為節(jié)約空間和提高控制精度，驅(qū)動選用脈寬
調(diào)制斬波驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片TA8435。單片機(jī)AT89C51 的P1.0-P1.5作為控制信號輸出，與TA8435 相連控制
步進(jìn)電機(jī)的原理圖如圖3 所示�；诒鞠到y(tǒng)所要達(dá)到精度要求和驅(qū)動芯片特點(diǎn)和功能，本系統(tǒng)采用Ml=1、M2=1，電機(jī)按1/8 步細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn)，單時(shí)鐘輸入。步進(jìn)電機(jī)按二相雙極性使用，四相按二相使用時(shí)可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。D1-D4 快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流。當(dāng)單片機(jī)對激光光電傳感器測得的信號處理后，通過P1.0-P1.5 口輸出，經(jīng)驅(qū)動芯片TA8435 控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)帶的左右移動，消除偏差。為了實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)啟停運(yùn)轉(zhuǎn)的精確控制，將推導(dǎo)出的符合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線的指數(shù)型運(yùn)行曲線量化后[6]，存入到ROM 中，通過調(diào)用對比，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)平滑轉(zhuǎn)向與運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.5 顯示與報(bào)警
在系統(tǒng)中，為了便于觀察和****烘道的運(yùn)行情況，需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果及狀態(tài)等。電路控制和電路顯示采用MAX7219 芯片構(gòu)成數(shù)碼管顯示電路，它與單片機(jī)接口簡單，顯示穩(wěn)定。既可通過鍵盤設(shè)置每一烘干段的溫度參數(shù)，又能將其溫度數(shù)值及其它重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來。
報(bào)警電路是當(dāng)某環(huán)境因子超出設(shè)置的上限參數(shù)、下限參數(shù)時(shí)，響鈴報(bào)警，提醒操作人員注意。該模塊接收來自測量模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的各環(huán)境因子值，命令控制模塊動作。對溫度上下限進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)超出設(shè)定時(shí)，進(jìn)行報(bào)警甚至延時(shí)停機(jī)。
3 軟件程序設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程原則，將所需控制分為五部分，分別是信號采集模塊、知識庫及推理模塊、溫度控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、報(bào)警和顯示模塊。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。軟件選用匯編和keilc51[5]進(jìn)行編程；并用偉福仿真器進(jìn)行仿真，通過調(diào)試進(jìn)行比較，C51 程序在程序的靈活性、可移植性和擴(kuò)展方面都優(yōu)于匯編語言，尤其在數(shù)據(jù)處理和計(jì)算方面。本系統(tǒng)的溫度控制模塊采用模糊控制是對采集信號進(jìn)行比較運(yùn)算處理，再將其結(jié)果轉(zhuǎn)換成指令通過I/O 口傳輸出去。主程序用于系統(tǒng)初始化和調(diào)用各個(gè)子程序及完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。
本系統(tǒng)軟件A/D 采集部分功能代碼：
void ad0809(uchar idata *x) /*采樣結(jié)果放指針中的A/D 采集函數(shù)*/
{uchar i;
uchar xdata * ad_adr;
ad_adr=&IN0;
for(i=0;i<8;i++) /*處理8 通道*/
{ *ad_adr=0; /*啟動轉(zhuǎn)換*/
i=1; /*延時(shí)等待信號變低*/
i=i；
while(ad_busy==0); /*查詢等待轉(zhuǎn)換結(jié)束*/
x[i]=*ad_adr; /*存轉(zhuǎn)換結(jié)果*/
ad_adr++; /*下一通道*/
}
}
void main (void)
{ static uchar idata ad[10];
ad0809(ad); /*采集AD0809 通道的值*/
}
4 實(shí)驗(yàn)
將所選的激光光電傳感器、溫度傳感器和調(diào)試成功后的軟件裝于HYP1400 上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，軟件的驅(qū)動模塊程序仿真如圖5 所示。傳送帶跑偏在≤8mm 時(shí)，糾偏系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整傳送帶的跑偏；跑偏大于＞8mm 時(shí)，糾偏系
統(tǒng)雖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)但糾偏效果不佳。烘干段溫度能夠控制在烘干工件所需的溫度范圍，保持在780-820，誤差在±1℃內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中穩(wěn)定可靠，操作簡單，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，采用單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)控制烘干段溫度和糾正傳送帶跑偏，將原先手動網(wǎng)帶偏差調(diào)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)烘道的自動控制。對于不同的控制對象，只需要適當(dāng)修改模糊推理關(guān)系，而無需改變系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；并根據(jù)材質(zhì)不同，要求不同，設(shè)定合適的參數(shù)完成工藝要求。溫控實(shí)現(xiàn)了以往依靠保溫層和室溫恒定或溫差很小去保證烘干質(zhì)量，對環(huán)境要求高，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度自動調(diào)節(jié)，根據(jù)烘干室溫度自動調(diào)節(jié)，大大降低對環(huán)境依賴度，提高了烘道環(huán)境適應(yīng)能力。
本文創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了一種烘道自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)帶光電糾偏，解決了烘道對環(huán)境溫度依賴度高的問題。
經(jīng)濟(jì)效益：可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益2-3 萬元/年。
數(shù)據(jù)來源：實(shí)際測量計(jì)算。
研究方法：先通過軟件仿真，再到具體機(jī)器驗(yàn)證。
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作者簡介：郭穎平,男,(1980-)，河北淶源人，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化，通訊
作者：劉俊峰,男,(1956 -),河北清苑人,教授，博士生導(dǎo)師,主要從機(jī)械裝備及其自動化方向的研究與應(yīng)用。
Biography: Guo Ying-ping, Male, born in 1980 ,Hebei Laiyuan, Master degree, Researchdomain: Mechanical & Electrical integration， Biography: Liu Jun-feng, Male, born in1956, Hebei Qingyuan, professor, doctoral supervisor, research and application of mechanical equipment and automation.
(071001 河北保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)郭穎平 劉俊峰 李建平 張青
(College of Mechanical and Electric Engineering, Agricultual University of Hebei, Baoding071001,china) GUO Ying-ping, LIU Jun-feng, LI Jian-ping, ZHANG Qing
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